廣播電視移動收測研究

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廣播電視信號的覆蓋收測分為固定和移動兩種[1]，其中固定收測方式主要針對模擬廣播電視的固定接收模式，而隨著信號數(shù)字化的推進以及車載調(diào)頻廣播的興起，移動收測成為現(xiàn)階段廣播電視信號覆蓋測試的主要手段。移動收測是利用GPS和廣播電視自動場強測試儀實時記錄所有測試路徑上的信號接收電平，獲取較為全面的覆蓋測試數(shù)據(jù)。在完成移動收測之后，需要根據(jù)場強儀記錄的測試數(shù)據(jù)推導出根據(jù)覆蓋中值場強規(guī)定的覆蓋邊界場形圖，并在地圖中獲取直觀的信號覆蓋邊界情況[2]。為了方便地實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)到信號覆蓋邊界的轉(zhuǎn)換，利用Matlab工具編寫應用程序來處理測試數(shù)據(jù)，首先需要推算出不同方向上的有效輻射功率ERP（EffectiveRadiatedPower），再依據(jù)中值場強計算覆蓋邊界距離和經(jīng)緯度，以此快速、準確地繪制出覆蓋邊界場形圖。將Matlab程序輸出的包含覆蓋邊界經(jīng)緯度等參數(shù)值的Excel文件導入Mapinfo二維電子地圖，或者生成KML文件后顯示在GoogleEarth三維電子地圖中，實現(xiàn)覆蓋場形在地圖中的直觀顯示。

1覆蓋場形繪制流程

考慮到移動收測過程中，場強儀自動記錄的測試數(shù)據(jù)會隨著周邊環(huán)境的影響出現(xiàn)波動，需要對幾千個收測數(shù)據(jù)進行預處理，盡量確保數(shù)據(jù)的有效與準確。整個覆蓋場形繪制的基本過程如下。第一步：對收測數(shù)據(jù)進行均值處理，降低測試與計算誤差。第二步：根據(jù)發(fā)射點與測試點的經(jīng)緯度計算兩點之間的距離。第三步：根據(jù)發(fā)射天線、接收天線和測試位置屬性等技術(shù)參數(shù)，采用DavidsonModel傳輸鏈路損耗模型計算測試方向上的傳輸損耗，推算出該方向上的有效輻射功率ERP值。第四步：根據(jù)該方向上的ERP值、覆蓋中值場強和傳輸鏈路損耗模型來計算該方向上的覆蓋邊界距離[3]。第五步：根據(jù)覆蓋邊界距離、發(fā)射點經(jīng)緯度以及發(fā)射點至測試點連線與正北方向的夾角，計算覆蓋邊界點上的經(jīng)緯度。第六步：自動生成直角坐標系、極坐標系兩張覆蓋圖，并自動生成包含覆蓋點經(jīng)緯度、發(fā)射點至覆蓋點連線與正北方向的夾角、覆蓋邊界距離的“覆蓋收測計算數(shù)據(jù).xls”文件。

2覆蓋場形繪制的程序?qū)崿F(xiàn)

覆蓋場形繪制的Matlab程序由主程序調(diào)用覆蓋計算功能函數(shù)子程序的方式實現(xiàn)。2.1主程序設計。Matlab主程序的實現(xiàn)流程如圖1所示。（1）可交互參數(shù)輸入覆蓋場形繪制的計算涉及到一些基本參數(shù)，主要包括發(fā)射點經(jīng)緯度、發(fā)射頻率、發(fā)射天線高度、發(fā)射天線類型、位置屬性（例如大城市、中小城市等）、覆蓋中值場強、測試天線增益、測試接收天線高度、覆蓋規(guī)劃接收天線高度、覆蓋計算距離初值等。為了靈活設置參數(shù)，將需要輸入的參數(shù)設計為對話框形式。其中發(fā)射天線類型、節(jié)目類型以及位置屬性均是以選擇不同代號的方式實現(xiàn)計算參數(shù)的確定。（2）測試數(shù)據(jù)導入采用德力DS2500場強儀移動收測得到的數(shù)據(jù)包含了測試點經(jīng)緯度和信號接收電平，其格式為CSV（Comma-SeparatedValues），因此將Matlab程序設計為可直接導入CSV格式的測試數(shù)據(jù)接口，并自動統(tǒng)計導入數(shù)據(jù)的數(shù)量。（3）測試數(shù)據(jù)均值處理導入的測試數(shù)據(jù)利用Matlab中的Smooth函數(shù)進行均值平滑處理，輸出數(shù)據(jù)為測試數(shù)據(jù)中的前5個與后5個的中值。（4）調(diào)用覆蓋計算功能函數(shù)覆蓋計算功能函數(shù)作為子程序提供給主程序調(diào)用，實現(xiàn)了循環(huán)計算出各測試點對應的覆蓋邊界距離、覆蓋點經(jīng)緯度以及發(fā)射點至覆蓋點連線與正北方向的夾角。（5）輸出覆蓋收測計算數(shù)據(jù)文件利用Matlab中的xlswrite函數(shù)，輸出包含覆蓋計算功能函數(shù)結(jié)果的文件。（6）繪制覆蓋圖利用Matlab中的plot和polar2函數(shù)自動繪制X-Y坐標系和極坐標系的覆蓋圖，例如針對無錫地面數(shù)字電視DS-33頻道收測結(jié)果完成的覆蓋圖如圖2和圖3所示。2.2子序設計。覆蓋計算功能函數(shù)子程序的實現(xiàn)流程如圖4所示。（1）計算測試點的場強值根據(jù)收測到的測試點接收電平，并通過測試天線增益以及測試信號頻率計算出測試點場強值[4]。（2）計算發(fā)射點至測試點的距離、發(fā)射點至測試點連線與正北方向的夾角首先將發(fā)射點與測試點的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為以弧度為單位的經(jīng)緯度值，再轉(zhuǎn)化為以地球球心為原點的XYZ坐標值，以此計算出發(fā)射點至測試點的距離、發(fā)射點至測試點連線與正北方向的夾角。（3）創(chuàng)建發(fā)射天線垂直場形計算模型由于廣播電視發(fā)射天線的頻段、層數(shù)以及下傾角等各技術(shù)參數(shù)均不相同，因此不同發(fā)射天線有不同的垂直波瓣場形，由各天線供應商提供。為了在Matlab程序中仿真各發(fā)射天線的垂直場形，必須采用相關(guān)函數(shù)進行擬合。經(jīng)過對多種發(fā)射天線垂直場形的演算，推導出采用y=sinx/x這一基本函數(shù)來擬合，且通過代入a、b、c、d這四個參數(shù)實現(xiàn)對不同發(fā)射天線類型的調(diào)整，使得擬合曲線盡量與廠家提供的垂直場形保持一致。具體函數(shù)為y=abs(a(sin(b(x-c))/(b(x-c))))+d，其中參數(shù)a和d為幅度調(diào)整，且a+d=1；參數(shù)b用于調(diào)整第一零點位置；參數(shù)c為發(fā)射天線下傾角。表1為擬合的三種發(fā)射天線參數(shù)值，擬合后的天線場形如圖5所示。通過主程序入口參數(shù)輸入的發(fā)射天線類型的代號，選擇不同的發(fā)射天線垂直場形擬合函數(shù)。（4）計算測試方向上的ERP根據(jù)發(fā)射點至測試的距離、發(fā)射天線高度、測試信號頻率、測試天線高度、測試點位置屬性等技術(shù)參數(shù)，采用DavidsonModel傳輸鏈路損耗模型計算測試方向上的傳輸損耗，再根據(jù)測試點場強值計算出測試方向上的ERP值。（5）計算測試點對發(fā)射天線的仰角根據(jù)發(fā)射天線高度和發(fā)射點至測試點距離計算測試點對發(fā)射天線的仰角值。發(fā)射天線垂直場形下的各參數(shù)示意如圖6所示。（6）計算發(fā)射點與測試點射線方向上的最大ERP發(fā)射點與測試點射線方向上的最大ERP也就是在發(fā)射天線垂直波瓣上的最大ERP，由于實際收測過程中測試點距發(fā)射點的距離遠近不一，測試方向上的增益與發(fā)射天線在垂直波瓣上的最大增益存在差值。因此，首先根據(jù)發(fā)射天線垂直場形和仰角計算出該差值后，再修正到測試方向上的ERP得到最大ERP值。計算測試方向上的覆蓋距離、覆蓋點經(jīng)緯度，是根據(jù)發(fā)射點與測試點射線方向上的最大ERP和覆蓋中值場強，計算出測試方向上的覆蓋距離，再由覆蓋距離計算出覆蓋點的經(jīng)緯度。考慮到VHF/UHF頻段的廣播電視是視距傳播的，覆蓋距離通常小于100km，該距離與地球半徑6378.2km相比要小很多，為此可簡化覆蓋點的經(jīng)緯度計算，以發(fā)射點的經(jīng)緯度作為參考，采用差值的方式近似計算。作為通用的計算方式，假設某點所在位置的緯度為±α°，經(jīng)度每相差1°時的距離相差為：6378.2×2πcosα/360≈111.32cosα(km)地球的子午線長度為40009km，緯度每相差1°時的距離相差為40009/360≈111.14km。覆蓋點經(jīng)緯度計算公式如圖7所示。

3覆蓋場形在地圖上的顯示

為了更加直觀、清晰地掌握廣播電視信號覆蓋情況，可將Matlab程序自動計算生成的包含了覆蓋點經(jīng)緯度、發(fā)射點至覆蓋點連線與正北方向的夾角、覆蓋邊界距離的“覆蓋收測計算數(shù)據(jù).xls”文件，通過在Mapinfo地圖中創(chuàng)建點的方式生成二維覆蓋圖[5]，如圖8所示，可明確覆蓋行政區(qū)域的情況。此外，可通過KML生成軟件將收測結(jié)果轉(zhuǎn)換為可直接由GoogleEarth打開KML文件，文件轉(zhuǎn)換界面如圖9所示，在GoogleEarth中的三維覆蓋場形如圖10所示。

4小結(jié)

利用Matlab開發(fā)程序方便地實現(xiàn)對移動收測數(shù)據(jù)進行處理，并自動計算和繪制出全向的覆蓋場形圖，其計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)息息相關(guān)，若在測試過程中經(jīng)過高架、隧道等特殊路段會導致與實際情況偏差較大，因此在選擇測試路徑時應盡量選擇平坦、開闊的道路，確保計算結(jié)果盡量符合實際覆蓋狀況。將計算結(jié)果導入二維或三維地圖中，可更加清晰地掌握和分析覆蓋狀況，特別適用于發(fā)射天線改造后的覆蓋測試，具有較高的應用價值。

參考文獻：

[1]提文雁,段卓駿.調(diào)頻廣播覆蓋場強預測與實測分析[J].廣播電視技術(shù),2017(2):103-110.

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[3]陸建華,陳宏,張殷希,等.無錫地面數(shù)字電視覆蓋測試與計算[J].電視技術(shù),2009,33(3):9-11.

[4]GB/T14109-93,電視、調(diào)頻廣播場強測量方法[S].1993.

[5]雷國平,門里,戴閩魯,等.MapInfo在CMMB路測分析中的應用研究[J].電視技術(shù),2012,36(11):7-10.

作者:張殷希 陸建華 單位:無錫廣播電視集團